Laser od wielu lat jest wykorzystywany do wykonywania fleksograficznych form drukowych. Poczštki to lata 80. i bezporednie grawerowanie gumowych klisz; od połowy lat 90. stosuje się laser także do cyfrowego wykonywania form foto-polimerowych. Teraz pracuje się nad nowym rozwišzaniem Đ bezporednim grawerowaniem elastomerów. W niniejszym artykule omówiono zasady działania laserów i wytwarzane przez nie wiatło oraz rozważania techniczne, które w firmie Hell doprowadziły do wybrania najlepszego lasera sporód wchodzšcych w rachubę.
W zwišzku z zamiarem wejcia na rynek nawietlarek CtP dla potrzeb fleksografii badano przydatnoć laserów do cyfrowego wykonywania form drukowych. Szukano takiego lasera, który nadawałby się do pracy w systemie LAMS (Laser Ablation Mask System), rozpowszechniajšcym się na rynku od wystawy DRUPAŐ95. Do tego potrzebny jest laser o wydajnoci 10-100 W, z dobrš jakociš promienia. Firma Hell postawiła sobie także drugi cel Đ bezporednie grawerowanie w elastomerach. Jest to bardzo obiecujšca technologia przyszłoci, do której przykłada się wiele wagi. Technika ta wymaga jednak lasera o wydajnoci 30-krotnie wyższej niż przy technice LAMS. Jeszcze innym celem jest bezporednie grawerowanie laserem miedzianych cylindrów dla potrzeb wklęsłodruku. Tu wymagania sš jeszcze wyższe.
Działanie lasera
Laser to skrót od angielskich słów oznaczajšcych ăwzmocnienie wiatła przez stymulowane wysyłanie promieniowaniaÓ. Szczególne znaczenie ma przy tym słowo ăstymulowaneÓ. Normalnie atomy znajdujš się w tzw. energetycznym stanie podstawowym. Przez dopływ energii, np. w postaci wolnych elektronów lub fotonów, może on przejć w stan pobudzony, o większej energii. Z tego pobudzonego stanu możliwy jest ponowny powrót do stanu podstawowego, ale może się to odbyć spontanicznie, bez wpływu z zewnštrz, lub w sposób stymulowany, np. po wyzwoleniu przez foton. Nadmiar energii jest oddawany np. w postaci emisji nowego fotonu. Przy stymulowanej emisji w laserze powstajšcy foton jest absolutnie identyczny z fotonem wyzwolonym. Na poczštku powstajš więc dwa identyczne fotony, z których każdy może stymulować następny pobudzony atom do oddania identycznego fotonu. I tak w reakcji łańcuchowej lawinowo ronie iloć fotonów. Jako suma powstaje pole promieniowania spójnego wiatła. W odróżnieniu od zwykłej lampy wiatło lasera jest monochromatyczne; składa się ono ze wiatła o jednej tylko długoci fali. Ze swej natury wiatło lasera jest silnie ukierunkowane, nie rozprasza się. Jest ono tak intensywne, że wiele setek watów można zogniskować w punkcie o rednicy niewielu mikrometrów.
Laser składa się zawsze z trzech podstawowych elementów:
1. ródła pompowania*; w najprostszym układzie jest to lampa. ródło pompowania doprowadza do lasera energię.
2. Aktywnego medium, jak np. rubin, CO2 lub iryd. Aktywne medium absorbuje energię ródła pompowania i ponownie jš oddaje w formie wiatła lasera.
3. Rezonatora, utworzonego np. z lustra zwykłego i lustra półprzepuszczalnego. Rezonator wzmacnia efekt odbijajšc wiatło lasera i dzięki temu wiatło to wielokrotnie przechodzi przez aktywne medium. W laserze powstaje przez to stan równowagi między pompowaniem a stymulowanym promieniowaniem.
Aktywnym medium, które może być zastosowane w laserze, jest gaz, ciecz, ciało stałe lub półprzewodnik. Lasery gazowe to np. laser helowo-neonowy, argonowo-jonowy czy laser CO2. Lasery cieczowe to najczęciej barwniki nieorganiczne, pompowane intensywnymi lampami błyskowymi lub laserem gazowym. Lasery z ciała stałego to najczęciej pręty ze szkła, w które wprowadzone sš rubin lub neodym w postaci kryształów.
Rodzaj ródła pompowania jest okrelany przez materiał (orodek) lasera. Lasery z ciała stałego i cieczowe sš pompowane optycznie, za pomocš lamp lub diod. Lasery gazowe sš pompowane wiatłem UV, promieniami elektronowymi, pršdem elektrycznym lub reakcjami chemicznymi. Lasery półprzewodnikowe Đ przez pršd elektryczny.
Charakterystyka laserów
Przy dużej iloci różnych materiałów i ródeł pompowania powstaje pytanie: czym różni się wiatło rozmaitych typów laserów? Sš dwie właciwoci, które w znacznym stopniu charakteryzujš wiatło lasera: długoć fali i jakoć promienia.
wiatło widzialne obejmuje zakres promieniowania elektromagnetycznego 400-800 nm. W obrębie promieniowania krótkofalowego występujš promienie ultrafioletowe, w obrębie fal długich Đ promieniowanie podczerwone. Typowe lasery stosowane do wykonywania form drukowych pracujš w zakresie promieniowania obejmujšcego długoć fal z zakresu podczerwieni, np. GaAs Đ 864 nm, Nd-YAG Đ 1060 nm, laser wiatłowodowy Đ 1110 nm czy CO2 Đ 10 600 nm.
Jakoć promienia można okrelić jako rozkład intensywnoci wiatła w przekroju poprzecznym tego promienia. W idealnym przypadku rozkład ten odpowiada krzywej Gaussa, kiedy to w rodku promienia jego intensywnoć jest największa i zmniejsza się na boki, tworzšc krzywš podobnš do dzwonu. Idealny promień lasera ma symetryczny rozkład intensywnoci na poziomej, pionowej i przekštnej linii jego przekroju. Idealny laser ma liczbę charakterystycznš, okrelajšcš jakoć jego promienia, równš 1, laser wiatłowodowy ma liczbę bliskš 1, laser YAG Đ liczbę ok. 5, laser diodowy Đ ok. 15.
Charakterystyka nawietlarek
Zarówno długoć fali, jak i jakoć promienia majš bezporedni wpływ na jakoć nawietlania w nawietlarce laserowej. Wpływajš one na rozdzielczoć i głębię ostroci promienia nawietlajšcego. Rozdzielczoć jest okrelana przez tzw. punkt lasera (Laserspot) Đ rednicę promienia w miejscu ogniska; im mniejsza jest ta rednica, tym większa rozdzielczoć.
Tony sš symulowane w druku przez punkty rastrowe. Ogólnie przyjęte jest, że od wiateł do pełnych tonów znajduje się 256 stopni punktów rastrowych. Technicznie jest to zrealizowane w ten sposób, że punkt rastrowy jest zbudowany z 16 x 16 = 256 pojedynczych punktów lasera. Jedna ăkomórkaÓ rastra o liniaturze 30 linii/cm ma np. długoć krawędzi wynoszšcš 333 ľm. Matryca 16 x 16 wymaga więc wielkoci punktu lasera wynoszšcej 20 ľm (333:16). Raster 54 linie/cm potrzebuje wielkoci punktu lasera 12 ľm (rys. 2).
Producenci nawietlarek w charakterystykach swych urzšdzeń zamiast wielkoci punktu lasera podajš rozdzielczoć zapisu. Punkt lasera 20 ľm odpowiada rozdzielczoci zapisu 500 linii/cm wzgl. 1270 dpi, a punkt 12 ľm odpowiada 833 liniom/cm (2117 dpi). Gdy pracuje się z częciowym nakładaniem się promienia na siebie, to przy tej samej wielkoci punktu lasera otrzymuje się wyższš efektywnš rozdzielczoć.
Im mniejsza długoć fali, tym mniejsza jest wielkoć punktu lasera, a więc wyższa rozdzielczoć. Rozdzielczoć jest także tym większa, im bardziej jakoć promienia zbliża się do idealnej wartoci 1.
Głębiš ostroci okrela się zakres przed i za płaszczyznš ogniska, w którym promień lasera jest jeszcze wystarczajšco ostry. Zakres ten można też okrelić jako taki, w którym rednica promienia lasera różni się od rednicy w ognisku o 10%.
Wymagania stawiane głębi ostroci okrelane sš przez tolerancje wykonania klisz i bębna nawietlarki oraz przez nierównoć powierzchni kliszy. Łšcznie tolerancje wykonania mieszczš się w wielkoci rzędu 40 ľm. Gdy głębia ostroci leży poniżej tej wartoci, to mogš wystšpić niedokładnoci przy nawietlaniu.
Im mniejsza jest długoć fali, tym większa głębia ostroci. Podobnie jest ona lepsza wtedy, gdy jakoć promienia jest bliska 1.
Podsumowujšc można okrelić następujšcš zasadę: długoć fali i jakoć promienia sš proporcjonalne do rozdzielczoci i odwrotnie proporcjonalne do głębi ostroci. Obie wartoci decydujš więc o jakoci przy wykonywaniu form drukowych i wiele znaczš przy wyborze lasera.
Z punktu widzenia bezporedniego grawerowania decydujšce znaczenie ma też produktywnoć lasera. Czas nawietlania lub grawerowania zależy generalnie od dwóch czynników:
Ľ wydajnoci lasera osišganej na powierzchni materiału. Nie należy więc brać pod uwagę wydajnoci znamionowej lasera; jedynš wartociš okrelajšcš produktywnoć lasera jest jego wydajnoć uzyskiwana na formie drukowej;
Ľ czułoci obrabianego materiału. Przy warstwach LAMS podawana jest ona w J/cm2, co jest równe Ws/cm2. W przeciwieństwie do tego przy bezporednim grawerowaniu stosuje się grawerowanie o zmiennej głębokoci i dlatego też sensowne jest okrelanie czułoci jako energii przypadajšcej na iloć materiału.
Rozróżnia się trzy sposoby prowadzenia promienia lasera w nawietlarce:
1. Najprostszy sposób to laser zintegrowany z głowicš nawietlajšcš i przesuwajšcy się nad nawietlanym materiałem. Ta koncepcja jest stosowana przy diodach laserowych.
2. Wyższe wydajnoci wymagajš laserów bardziej skomplikowanych. Przy laserach CO2 i niektórych laserach YAG promień jest odchylany przez soczewki i lustra. Ze względu na takš stosunkowo długš drogę promienia nawietlarki te sš czułe na drgania i wymagajš specjalnego fundamentu. Innym problemem jest zanieczyszczanie się elementów optycznych.
3. Bardzo elastycznym rozwišzaniem jest prowadzenie promienia lasera za pomocš wiatłowodu. W tym przypadku laser może się znajdować poza nawietlarkš lub w jej dowolnym miejscu wewnštrz. Odpadajš problemy opisane w punkcie 2.
Prawie wszyscy producenci nawietlarek stosujš pewne rozwišzania techniczne, które pozwalajš na skompensowanie ograniczeń stawianych przez zastosowany typ lasera. Sš to np.:
Przysłona. W celu poprawienia jakoci promienia lasera można za pomocš przysłony nieco zakryć częć promienia. Czynna staje się tylko częć promienia o dobrej jakoci, pozostały fragment jest odcięty. Wadš tego rozwišzania jest zmniejszenie wydajnoci lasera i, niekiedy, koniecznoć chłodzenia przysłony. Ta metoda wyjania, dlaczego niektóre lasery dajš wydajnoć na formie drukowej np. 15 W, podczas gdy ich wydajnoć znamionowa wynosi 60 W.
Nakładanie się promienia. Gdy odstęp przesuwu jest mniejszy od rednicy promienia, to promień nakłada się na siebie i w ten sposób uzyskuje się większš rozdzielczoć efektywnš niż znamionowa rozdzielczoć lasera.
Autofokus. Aby skompensować zbyt małš głębię ostroci nawietlarki, stosuje się metodę naprowadzania ogniska do przodu lub do tyłu.
Przeglšd laserów
Laser CO2. Laser ten pracuje przy wykorzystaniu mieszaniny gazów. Aktywnym medium jest sam dwutlenek węgla, do którego sš dodane hel i azot. Lasery CO2 majš wydajnoci od kilku watów do wielu kilowatów. Ich stopień sprawnoci wynosi zaledwie 10% i przy większych wydajnociach trzeba je intensywnie chłodzić.
Długoć fali wynosi 10 600 nm i jest 10-krotnie większa niż innych laserów stosowanych w poligrafii. Skutkiem tego jest stosunkowo niska rozdzielczoć i głębia ostroci. Jakoć promienia zbliża się do idealnej.
Domenš lasera CO2 jest obróbka materiałów oraz cięcie i spawanie, a także bezporednie grawerowanie gumowych klisz. Ze względu na ograniczenia jego parametrów technologicznych nie bardzo nadaje się do grawerowania drobnych szczegółów.
Laser półprzewodnikowy. Lasery te, zawierajšce diody, zaskakujš swojš prostš budowš. Pompowanie następuje bezporednio przez przepływajšcy pršd. Efekt lasera osišgany jest przez kombinacje elektronów i otworów w złšczu pn, dla wytworzenia i wzmocnienia wiatła. W celu podwyższenia wydajnoci łšczy się większš iloć diod.
Pojedyncze diody majš wydajnoć w zakresie mW, natomiast zestawy osišgajš do 1 kW. Przy sprawnoci 50% zużycie energii jest stosunkowo niskie. Przy wysokich wydajnociach może być niezbędne chłodzenie wodš.
Długoć fali wynosi 800-1000 nm. Jakoć promienia to zaledwie ok. 15, a więc jest bardzo niska. Ograniczone sš też rozdzielczoć i głębia ostroci.
Ze względu na niewielkie wymiary diody laserowe można wbudowywać bezporednio w głowicę nawietlajšcš. Sterowanie jest bardzo proste, gdyż diody sš pompowane i modulowane przez pršd elektryczny. Nie wymagajš one konserwacji. Nie nadajš się do bezporedniego grawerowania.
Laser Nd-YAG. Laser neodymowy YAG jest typem bardzo rozpowszechnionym w poligrafii. Składa się z okršgłego pręta o długoci ok. 15 cm i rednicy ok. 1 cm, zbudowanego z itru, aluminium i granatu (stšd nazwa YAG), w którym umieszczony jest neodym jako aktywne medium. Pompowanie następuje przez lampy lub diody laserowe. Lasery YAG sš oferowane we wszystkich klasach wydajnoci od 1 W do kilku kW. Zależnie od ródła pompowania osišga się stopień sprawnoci od 3 do 10%.
Zapotrzebowanie na energię lub chłodzenie jest bardzo znaczne. Dla uzyskania wydajnoci lasera 100 W trzeba doprowadzić 3 kW energii elektrycznej i stosować chłodzenie wodš.
Długoć fali 1060 nm daje dobrš rozdzielczoć Đ 20 ľm, a za pomocš przysłony i nakładania się promienia można osišgnšć do 5 ľm. Natomiast jakoć promienia wynosi 5, jest więc na rednim poziomie.
W ostatnich latach znacznie usprawniono lasery YAG. Lasery pompowane diodami w porównaniu z laserami YAG pompowanymi lampš majš teraz wiele zalet, np. w odniesieniu do stopnia sprawnoci i łatwoci konserwacji. Bezporednie prowadzenie promienia lub prowadzenie go przez wiatłowody poprawia stabilnoć lasera.
Laser YAG jest rozpowszechnionym laserem z dobrymi właciwociami i generalnie nadaje się także do grawerowania.
Laser wiatłowodowy. Jest to od niedawna stosowany rodzaj lasera, który ma wiele wyróżniajšcych się zalet w porównaniu z innymi typami. Laser ten składa się ze ródła pompowania (diody laserowe) i wiatłowodu, w które wprowadzone jest aktywne medium. wiatłowód jest zarazem rezonatorem i rodkiem transportowym dla medium. wiatło do pompowania jest wprowadzone w wiatłowód. Mimo że, jak powiedziano wyżej, jakoć promienia diod laserowych jest mierna, to wiatło tego lasera po wyjciu ze wiatłowodu ma bardzo dobrš jakoć i długoć fali 1110 nm. Ze względu na całkowite odbijanie się od warstw granicznych wewnštrz wiatło jest zbierane w rdzeniu lasera, a wiatło pompowania pobudza materiał rdzenia tworzšcy wiatło lasera. Rezultatem jest doskonała jakoć promienia lasera (rys. 3).
Wydajnoć laserów wiatłowodowych wynosi od 1 W do 100 W, a stopień ich sprawnoci ok. 50% powoduje, że skomplikowane chłodzenie jest zbędne. Pobór energii jest niewielki, podobnie jak przy diodach laserowych.
Jakoć promienia jest bliska wartoci idealnej, a osišgane rozdzielczoci wynoszš 20 ľm lub nawet mniej. Nakładanie promienia pozwala na osišgnięcie rozdzielczoci nawet 5 ľm. Głębia ostroci wynosi ponad 300 ľm i jest bardzo duża.
Laser wiatłowodowy zaskakuje swymi właciwociami: zwartš budowš, prowadzeniem promienia bezporednio przez wiatłowód, wysokim stopniem sprawnoci, bardzo dobrš jakociš promienia, zapewnia doskonałš jakoć nawietlania, nie wymaga konserwacji. Te właciwoci powodujš, że laser wiatłowodowy najlepiej sporód innych laserów nadaje się do bezporedniego grawerowania. Potwierdzajš to dowiadczenia firmy Hell, która od trzech lat praktycznie stosuje tego rodzaju laser.
Na podstawie artykułu Jana Breitholdta ăWelchen Laser htten Sie gern?Ó z ăFlexo+Tief-DruckÓ nr 6/2002 opracował ZZ
